燃煤電廠濕煙氣的除濕特性

呂揚，董勇，田路濘，韓哲楠，申凱，崔琳，張立強，李玉忠

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燃煤電廠濕煙氣的除濕特性

呂揚1，董勇1，田路濘2，韓哲楠2，申凱1，崔琳1，張立強1，李玉忠1

（1燃煤污染物減排國家工程實驗室（山東大學(xué)），山東濟南250061；2武漢光谷環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆蔽錆h430074）

燃煤電廠濕法脫硫后排放的煙氣中含有大量水蒸氣，造成大量水資源的浪費，溶液除濕工藝是水分回收技術(shù)之一。通過絕熱型管式降膜除濕試驗臺，采用價格低廉的CaCl2溶液為除濕劑，探究了濕煙氣狀態(tài)下溶液濃度、溶液溫度、傳質(zhì)面積及進口溫度對除濕性能的影響，試驗得到了CaCl2溶液除濕過程的傳質(zhì)系數(shù)，溶液除濕效率遠高于清水冷凝除濕，為煙氣除濕工藝的選擇和性能預(yù)測提供了參考。

煙道氣；吸收；除濕；水溶液；管式降膜

引 言

燃煤電廠是我國工業(yè)用水大戶，水消耗量巨大，隨著國家對工業(yè)取水定額的進一步收緊[1]及水污染防治的嚴(yán)格要求，加之我國大量新建燃煤機組選址在西部產(chǎn)煤缺水地區(qū)，使得電廠的節(jié)水降耗工作壓力迫切；國家2005～2020年電力發(fā)展規(guī)劃明確提出了發(fā)電節(jié)水的問題，必須著力發(fā)展適用于水資源短缺地區(qū)的節(jié)水型煙氣污染控制技術(shù)；經(jīng)濟有效的節(jié)水降耗措施將對節(jié)水型電廠的建設(shè)意義重大，有力推動環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的創(chuàng)建。

燃煤電廠多采用濕法脫硫工藝，濕法脫硫過程中煙氣放熱、循環(huán)漿液中水分吸熱蒸發(fā)，形成含有大量水蒸氣的飽和濕煙氣，隨脫硫后煙氣排放的水蒸氣是電廠水資源消耗的重要組成部分，以300 MW機組煙氣量計算，脫硫后煙氣中攜帶水分約100 t·h-1，造成大量水資源的浪費。同時，濕煙氣直排導(dǎo)致出現(xiàn)煙囪腐蝕、“白煙”及煙囪雨等一系列問題。

針對濕煙氣排放問題，近年國內(nèi)主要關(guān)注了飽和濕煙氣的形成機理[2]，煙囪降雨的成因[3]，濕排對煙氣抬升、擴散的影響[4]，濕煙氣的腐蝕問題及煙囪的防腐技術(shù)[5]，水媒式煙氣換熱器（MGGH）[6-7]等。

在濕煙氣除濕方面的研究相對較少，尚處于起步階段，可借鑒的方法有冷凝法[8-11]、吸收法或膜法[12-16]。溶液除濕（吸收法）技術(shù)基于溶液與空氣間的水蒸氣分壓力差，推動水蒸氣在溶液與空氣間的遷移，該技術(shù)已在溫濕度獨立控制空調(diào)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[17]。由于除濕溶液較低的水蒸氣分壓，應(yīng)用于煙氣除濕時的水回收潛力大，除濕后濕煙氣相對濕度低，近年來逐步得到了研究者的關(guān)注，并進行了有益探索。

魏璠等[18]利用CaCl2溶液噴淋吸收工藝進行了燃氣煙氣中水分回收試驗研究，與冷卻水噴淋冷凝除濕比較表明，達到相同的除濕量，冷卻水流量要達到溶液流量的5倍以上。路源[19]研究表明，CaCl2溶液除濕工藝的水回收率遠高于冷凝法，回收水可實現(xiàn)燃氣輪機HAT循環(huán)水平衡，回收熱量品位較高（50℃以上）。Lars等[20]利用溶液除濕方法實施了生物質(zhì)鍋爐煙氣顆粒物脫除及余熱回收，應(yīng)用表明，燃用高水分燃料時，機組供熱能力提高近40%（不計電耗增加）。

上述空調(diào)、燃氣、生物質(zhì)煙氣等領(lǐng)域的研究為燃煤電廠濕煙氣除濕提供了有益參考。對于燃煤電廠濕煙氣狀態(tài)參數(shù)下的除濕性能，僅Folkedahl等[21]進行了探索性的研究，初步驗證了工藝的可行性。對于該工藝的性能、影響因素等方面的研究仍不足，特別是傳質(zhì)過程的機理參數(shù)較為欠缺。

本文采用絕熱型管式降膜除濕器，以CaCl2溶液為除濕劑，進行了降膜除濕的試驗研究，考察了溶液溫度、濃度、傳質(zhì)面積、進口煙氣溫度等因素對除濕性能的影響，并與相同工況下的清水冷凝除濕進行了對比，分析了基于CaCl2溶液的除濕工藝的除濕潛力，得到了煙氣除濕工況下的傳質(zhì)系數(shù)，為中試及應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗系統(tǒng)及測試方法

1.1 試驗系統(tǒng)

設(shè)計并搭建了絕熱型管式內(nèi)降膜除濕試驗臺，系統(tǒng)流程見圖1，試驗系統(tǒng)由模擬煙氣系統(tǒng)、降膜管、溶液循環(huán)系統(tǒng)、溶液冷卻系統(tǒng)組成。采用典型煙氣組分加熱加濕至與飽和濕煙氣相同的熱力狀態(tài)，模擬脫硫后飽和濕煙氣。

1—gas flowmeter; 2—water distributer; 3—falling film tube humidifier; 4—water heater; 5—water tank; 6—water pump; 7—falling film tube dehumidifier; 8—solution distributer; 9—induced draft fan; 10—solution heater; 11—agitator; 12—cooling coil; 13—solution tank; 14—solution pump; 15—cooling water tank; 16—cooling water pump; 17—gas temperature and humidity sensor

降膜管采用30 mm有機玻璃管，作為膜式反應(yīng)器，管中貯液量低，液膜的厚度薄，適用于瞬間、快速和中速的氣液熱質(zhì)交換過程[22]。濕煙氣由降膜管底部進入，與管內(nèi)壁面上均布的溶液液膜逆流接觸進行熱質(zhì)交換，后經(jīng)引風(fēng)機排出。溶液在儲液槽中配制、攪拌并調(diào)整至設(shè)計工況溫度，經(jīng)溶液泵送至降膜管頂部的布液器，在重力的作用下沿管內(nèi)壁均勻成膜并下降至收集裝置，隨后返回儲液槽。溶液采用不銹鋼波紋管內(nèi)通冷卻水冷卻，采用溫控電加熱器加熱，協(xié)同控制保持溶液溫度穩(wěn)定。4套不同高度的降膜管采用有機玻璃制作，高度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m。系統(tǒng)所有管道及容器均采用橡塑保溫棉保溫。

1.2 除濕劑

空調(diào)領(lǐng)域多采用蒸氣壓較低的LiBr或LiCl溶液[23]，及其兩種或多種混合溶液[24-26]，其價格均較高，難以大規(guī)模應(yīng)用于煙氣除濕，相比之下，CaCl2蒸氣壓稍高，但價格僅為上述兩種鹵鹽的1/20，此外，較高的蒸氣壓意味著較低的再生溫度，為利用余熱再生提供了可能。綜合性能、成本等因素，本文選擇CaCl2溶液作為煙氣除濕介質(zhì)[27]。

1.3 測試方法

除濕器前后設(shè)置溫濕度測點[28]，溶液進出口設(shè)置溫度、濃度測點。煙氣溫濕度采用Rotronic溫濕度傳感器，溫度測量精度±0.2℃，濕度為±1%RH，溶液溫度采用K型熱電偶，測量精度±0.2℃，溫度測點輔以水銀溫度計校核。溶液濃度采用密度-濃度比對法，采用婆梅密度計測量溶液密度，與同溫度下的密度-濃度比對表對比獲得對應(yīng)溶液濃度，測量精度為1 kg·m-3。

試驗中，煙氣的除濕效率為

式中，ain為進口煙氣含濕量g·(kg干煙氣)-1；aout為出口煙氣含濕量g·(kg干煙氣)-1。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 溶液溫度及溶液濃度對除濕性能的影響

圖2顯示了除濕效率與進口溶液溫度(solin)及濃度的關(guān)系。試驗中，降膜管高度=1.0 m，飽和煙氣進口溫度(ain)50℃。隨溶液溫度由35℃升高至55℃，除濕效率由55%降至約30%，且下降速率逐步增大，這主要由于溶液溫度上升，溶液的蒸氣壓隨之上升，煙氣與溶液的水蒸氣分壓力差降低，溶液除濕能力下降[29]。盡管溶液蒸氣壓有所上升，但仍低于煙氣中水蒸氣分壓，因此，當(dāng)溶液溫度高于煙氣溫度時，除濕溶液仍具有一定的除濕能力，溶液溫度為50～55℃時，除濕效率為20%～40%，這與冷凝法具有顯著的差異。

除濕效率與溶液濃度(in)關(guān)系（solin=45℃，=1.0 m，ain=50℃）的試驗結(jié)果與溶液物性符合，隨溶液濃度由40%升至50%，除濕效率由38%上升至45%，但溶液濃度超過45%后，效率提升幅度較低，這是由于溶液濃度提高的同時，蒸氣壓及溶液黏性并非呈線性變化，蒸氣壓的降低幅度逐步減小，溶液黏性迅速提高，致使提升濃度帶來的效率提升幅度略有下降。此外，在溶液配制過程中，當(dāng)溶液濃度超過45%時，溶液的溶解速率明顯下降，濃度超過45%時，溶液中易形成塊狀小顆粒，經(jīng)長時間攪拌后才逐步溶解。另外，45%～50%的溶液結(jié)晶溫度為25～30℃，因此，在工程應(yīng)用中，為保證系統(tǒng)及管道安全運行，CaCl2溶液除濕系統(tǒng)的溶液濃度不宜超過45%。

不同進口溶液溫度下煙氣出口溫度(aout)及相對濕度(RHa)的變化（=1.0 m，ain=50℃）如圖3所示。試驗表明，溶液溫度是影響出口煙氣溫度的主要參數(shù)，這是由于，液側(cè)熱容相對于氣側(cè)熱容大得多，氣體進入系統(tǒng)后被溶液迅速冷卻，同時水蒸氣凝結(jié)釋放的汽化潛熱主要被溶液吸收；溶液濃度對出口煙氣溫度影響不大，隨溶液濃度的降低，出口煙氣溫度略有降低的原因是試驗中計量采用體積流量，而不同濃度下溶液密度有所偏差，造成低濃度溶液質(zhì)量流量偏大，致使總熱容量偏大，系統(tǒng)溫度偏低。隨著溶液溫度升高，除濕效率降低，但煙氣相對濕度是溫度與水蒸氣分壓的函數(shù)，由于出口煙氣溫度較高，相對濕度依然降低，因此，較高的溶液溫度雖然不利于水分的回收，但煙氣過熱度較大，有利于有效避免煙囪“白煙”問題并提高煙氣的擴散能力。

2.2 傳質(zhì)面積對除濕性能的影響

傳質(zhì)面積是影響水蒸氣傳質(zhì)速率的重要參數(shù)，溶液除濕過程總傳質(zhì)量是傳質(zhì)系數(shù)、氣液傳質(zhì)面積及水蒸氣密度差的函數(shù)。在降膜管中，液膜厚度非常小，一般認為降膜管內(nèi)壁面積即氣液傳質(zhì)總面積，不同高度的降膜管對應(yīng)的氣液傳質(zhì)面積如表1所示。

表1 不同高度降膜管對應(yīng)的氣體傳質(zhì)面積

圖4、圖5為溶液除濕效率及出口煙氣相對濕度與傳質(zhì)面積的關(guān)系（solin=40℃，in=40%，ain=50 ℃），由圖可知，氣體傳質(zhì)面積增大對除濕性能影響明顯，由0.0471 m2提高至0.1884 m2時，平均除濕效率由30%提升至約60%，增加幅度為30%，相對濕度由90%降低至60%～70%。而相同工況下的清水冷凝除濕效率由22%升至36%，增加幅度為14%。由此可見，隨著傳質(zhì)面積的增加，溶液除濕的效率提升中，冷凝及吸收過程對除濕效率的貢獻率分別為14%和16%，基本相當(dāng)。

2.3 進口煙氣溫度對除濕性能的影響

不同進口煙氣溫度下的除濕效率、進出口含濕量及相對濕度的變化如圖6～圖8所示，隨進口煙氣溫度由40℃升高至約58℃，進口煙氣含濕量由47 g·(kg干煙氣)-1提高至139 g·(kg干煙氣)-1，出口煙氣含濕量由30 g·(kg干煙氣)-1穩(wěn)定提高至約50 g·(kg干煙氣)-1，除濕效率（solin=40℃，=1.0 m）由30%提高至約60%，除濕效率及總回收水量隨進口煙氣溫度升高而提高，這是由于，隨著煙氣溫度升高濕煙氣水蒸氣分壓力增大，與溶液表面的水蒸氣分壓力差提高，傳質(zhì)驅(qū)動力增強，促進了傳質(zhì)過程。進口溶液溫度是影響煙氣溫度的關(guān)鍵因素，由于進口溶液溫度不變，煙氣出口溫度的升高幅度相對較小，相對濕度是溫度與含濕量的函數(shù)，綜合影響之下，相對濕度有所提高。在試驗的溫度區(qū)間內(nèi)，出口煙氣含濕量保持在相對較低的水平，即該工藝能夠適應(yīng)高濕煙氣下的除濕要求，滿足不同系統(tǒng)中的煙氣溫度工況變動。

2.4 與清水冷凝除濕的對比

溶液除濕與冷凝除濕工況下，煙氣出口狀態(tài)點在焓濕圖上的分布（ain=50℃，=2.0 m）如圖9所示，試驗中，清水與溶液溫度及體積流量均相同，溶液（清水）進口溫度分別為35、40、45℃。清水冷凝工況下，由于冷卻使?jié)駸煔庵兴魵饽Y(jié)析出，出口煙氣含濕量為43～65 g·(kg干煙氣)-1，除濕效率為21%～48%，而溶液除濕工況下，出口煙氣含濕量為26～42 g·(kg干煙氣)-1，除濕效率為48%～69%，冷凝除濕效率明顯低于溶液除濕。

隨進口溶液（水）溫度升高，出口煙氣溫度對應(yīng)升高，在相同的溶液（水）進口溫度下，煙氣出口溫度差別不大。采用溶液除濕時，出口煙氣相對濕度約60%，而采用清水時煙氣始終保持飽和狀態(tài)，出口狀態(tài)點落在相對濕度100%的飽和線上。這是由于，溶液的蒸氣壓低于對應(yīng)溫度下煙氣的飽和蒸氣壓，能夠確保出口煙氣處于不飽和態(tài)。因此，溶液除濕應(yīng)用于燃煤電廠尾部濕煙氣的除濕時，能夠有效避免處理后的濕煙氣在煙囪及煙囪出口凝結(jié)，從而避免煙囪內(nèi)的酸腐蝕及煙囪出口“白煙”、“煙囪雨”現(xiàn)象[30]。

3 溶液除濕機理分析

管內(nèi)降膜溶液除濕吸收過程基于除濕溶液表面與濕煙氣之間的水蒸氣分壓力差，推動水蒸氣實現(xiàn)由煙氣向溶液的遷移（圖10）。

降膜管內(nèi)水蒸氣平均傳質(zhì)速率[31]為

=mDr(1)

式中，為降膜管內(nèi)水蒸氣平均傳質(zhì)速率，kg·s-1；m為平均對流傳質(zhì)系數(shù)，m·s-1；為對流傳質(zhì)面積，m2；Dr為塔內(nèi)傳質(zhì)平均密度差，kg·m-3。

塔內(nèi)傳質(zhì)平均密度差Dr可采用對數(shù)平均密度差

Dr主要受進出口溶液蒸氣壓及煙氣中水蒸氣分壓影響。溶液蒸氣壓(z)是決定溶液除濕能力的關(guān)鍵液側(cè)物性參數(shù)，是溶液溫度(sol)與溶液濃度(sol)的函數(shù)，上述三參數(shù)關(guān)系如式(3)所示[32]。溶液蒸氣壓隨溶液溫度升高、濃度降低而升高，從而使傳質(zhì)過程驅(qū)動力降低。

z=ws[1.0-0.828sol-1.4962sol+sol(sol-40)/350] (3)

式中，ws為水的飽和蒸氣壓。

對于脫硫后飽和濕煙氣，其飽和水蒸氣分壓是溫度的函數(shù)[33]，即

q,b=(ain) (4)

對于燃煤煙氣，由于燃用煤種含氫量及含水量有較大差異，導(dǎo)致脫硫后煙氣溫度有所不同，從而影響煙氣中水蒸氣蒸氣分壓，進而導(dǎo)致除濕過程的傳質(zhì)驅(qū)動力的變化。

氣液物性、工況參數(shù)及裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化均對除濕效率產(chǎn)生影響，包括：進口飽和煙氣溫度ain，溶液濃度in，溶液溫度solin，液氣體積比lg，單位體積氣體傳質(zhì)面積。對溶液除濕效率試驗結(jié)果進行回歸分析，得到如下試驗關(guān)聯(lián)式，其相關(guān)系數(shù)0.962

根據(jù)式(1)、式(2)，降膜管內(nèi)水蒸氣平均傳質(zhì)速率可通過試驗監(jiān)測的進出口濕煙氣參數(shù)計算，濕煙氣進出口水蒸氣密度及溶液表面水蒸氣密度可通過物性計算得出，降膜管內(nèi)傳質(zhì)面積近似等于降膜管內(nèi)壁面面積（忽略液膜厚度）。因此，可計算每個工況下的對流傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果表明，在本試驗研究的工況范圍中，傳質(zhì)系數(shù)介于0.009～0.040 m·s-1之間。

4 結(jié) 論

（1）對于燃煤電廠脫硫后飽和濕煙氣，采用基于CaCl2溶液的除濕工藝可行且具有較大的應(yīng)用潛力，在本試驗系統(tǒng)中，最大除濕效率可達約70%。

（2）在CaCl2溶液除濕系統(tǒng)中，除濕溶液濃度不宜超過45%。溶液溫度是影響出口煙氣溫度的關(guān)鍵因素，在滿足工程系統(tǒng)經(jīng)濟性且保證溶液不結(jié)晶的條件下，溶液溫度越低，除濕效率越高；當(dāng)溶液溫度高于煙氣溫度時，除濕溶液仍具有除濕能力，當(dāng)溶液溫度為50～55℃時，除濕效率為20%～40%。較高的溶液溫度不利于除濕效率的提高，但有益于降低出口煙氣相對濕度、提高出口煙氣過熱度，從而使煙氣具有良好的擴散性。

（3）CaCl2溶液除濕工藝對進口40～60℃的飽和濕煙氣具有較強的適應(yīng)性，能夠滿足不同進口溫度下的飽和濕煙氣的除濕需求。

（4）相對于清水冷凝除濕21%～48%的除濕效率，相同工況下的溶液除濕效率為48%～69%，且出口煙氣相對濕度約60%，能夠避免煙氣在煙囪內(nèi)部及其出口結(jié)露，為解決煙囪腐蝕、“白煙”及“煙囪雨”現(xiàn)象提供了可能。

（5）對于降膜管內(nèi)CaCl2溶液-濕煙氣逆流除濕過程，水蒸氣的對流傳質(zhì)系數(shù)介于0.009～0.040 m·s-1之間。

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Dehumidification performance of wet flue gas in coal-fired power plant

Lü Yang1, DONG Yong1, TIAN Luning2, HAN Zhenan2, SHEN Kai1, CUI Lin1, ZHANG Liqiang1, LI Yuzhong1

(1National Engineering Laboratory for Coal-fired Pollutants Emission Reduction (Shandong University), Jinan 250061, Shandong, China;2Wuhan Optics Valley Environmental Protection Technology Co., Ltd., Wuhan 430074, Hubei, China)

The flue gas after FGD emitted in coal-fired power plant contains a large amount of water vapor，which means a great waste of water resources. The liquid desiccant-based dehumidification is a feasible technology to recover water from flue gas. To study the dehumidification performance of this technology, a laboratory scale adiabatic tube falling film dehumidifier was built with CaCl2solution as desiccant. The performance of this technology and the effect of solution temperature, concentration, mass transfer area and air inlet temperature was investigated. The mass transfer coefficient was given by 0.009—0.040 m·s-1. Moreover, a comparison between condensation and liquid desiccant-based dehumidification was carried out. The data showed that the water recovery efficiency would be more than 50%, which was much better than condensation method and confirmed the feasibility of this technology applied in power plants.

flue gas; absorption; water recovery; solution; tube falling film

10.11949/j.issn.0438-1157.20170224

X 701

A

0438—1157（2017）09—3558—07

2017-03-08收到初稿，2017-06-05收到修改稿。

董勇。

呂揚（1988—），男，碩士研究生。

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFF0209800）；山東省重點研發(fā)計劃項目（2016GGX104009）。

2017-03-08.

Prof. DONG Yong, dongy@sdu.edu.cn